钛合金铣削加工技术研究现状及发展

姜增辉，董济超，孔繁雅，周 超

(沈阳理工大学 机械工程学院，辽宁 沈阳 110159)

钛合金比强度高、耐蚀性好、热强度高[1-2]，是制造高温环境、易腐蚀环境下工作零件的理想高强轻质材料，被广泛应用于航空航天、生物医学、武器装备制造、石油化工及核电装备等各个领域[3-5]。在生物医学领域，钛合金可用于制作人工关节、人工牙齿等医学修复及替换材料，及心血管支架上、弹性接骨板、脊柱固定器等多种医疗器械产品[6]。在武器装备制造领域，由于现代战争模式需要更好的机动能力，有效地实现装备轻量化已经成为重要发展趋势，高强轻质的钛合金材料在武器装备零件、构件制造中的应用正在得到快速发展[7-8]。

目前，钛合金零部件产品价格普遍较高，除去原材料价格外，其加工成本是重要的原因之一。

1 钛合金切削加工的特点

钛合金是一种典型的难加工金属材料[9-12]，其在加工时有如下特点。

1)变形系数小。与切削普通钢材相比，切削过程中切屑在前刀面上流动的路程很短，切屑沿前刀面流出过程中产生的严重摩擦磨损区十分靠近主切削刃，导致在前刀面上主切削刃附近产生更大的应力和更多的切削热。刃口容易发生磨损，甚至产生破损。由于前刀面上主要磨损位置十分接近刃口，很难在前刀面上观察到“月牙洼”磨损。

2)切削温度较高。原因有2个方面：1)钛合金的热导率很小，通过被切削工件本身散热的能力很差；2)切屑与前刀面的接触区域非常靠近切削刃，切削热很难散出，致使切削温度很高。

3)弹性回复大。钛合金弹性模量小，在切削过程中工件受到切削力的作用容易产生变形，且已加工表面也容易发生回弹。一方面，切削变形使零件的几何精度难以保证；另一方面，已加工表面回弹增大了已加工表面与刀具后刀面的接触面积，增加了后刀面产生的切削力和刀具磨损，且容易引起切削振动，降低表面加工质量。

4)易于生成加工硬化层。钛元素在高温时化学活性高，在工件表面容易生成由含Ti化合物组成的硬化层，加剧了刀具磨损。

5)使用硬质合金刀具易于发生粘结磨损。在钛的化学亲和作用和高温高压作用下，钛合金切屑容易粘结在硬质合金刀具的刀尖上(见图1)，并在脱落时使刀尖产生粘结磨损。

图1 钛合金切削时刀尖的切屑粘结

6)切屑易燃。钛合金燃点低，干切削时较高的切削温度容易引燃切屑。尤其应注意，高速干铣削时铣刀如果粘结大量团状切屑，应立即进行处理，避免高温下切屑被引燃而发生重大事故(见图2)。

a)铣刀切屑粘结

b) 粘结切屑产生燃烧

2 钛合金铣削加工性研究现状

钛合金铣削加工性研究包含切削机理和铣削性能2个方面的内容，以模拟仿真与切削实验相结合为主要研究方法。

2.1 钛合金切削机理

钛合金切削机理研究主要包括切削区塑性变形及切屑形成机理、切削热的产生及传导机理、刀具磨损机理等。当前，航空航天、深海潜航及石化生产等领域装备制造对钛合金性能不断提出新的要求，新型钛合金材料不断涌现，这些新材料切削性能差别较大，深入研究各自的切削机理是合理选择切削刀具与工艺的基础。

钟鑫等[13]在实验的基础上建立了切削TC4钛合金的仿真模型，对切屑和已加工表面上的晶粒细化特征进行了研究，发现切削速度和切削深度是影响晶粒细化的主要因素，且对晶粒细化呈现负影响。刘东[14]通过对TC4钛合金切削过程中锯齿形切屑形成过程进行实验研究，得到了切屑由带状转变为锯齿形的临界切削速度。锯齿形切屑的形成可导致切削过程中切削力的波动，且波动规律与切屑的锯齿形变化规律一致，锯齿形切屑形成中塑性变形区的宽度随切削速度的增加而减小。

2.2 钛合金铣削性能

钛合金铣削性能研究主要包括切削参数、刀具角度对铣削力、切削温度、铣削系统动力学特征及已加工件形状精度、表面质量的影响规律等。由于钛合金高强轻质的特点，大量被用于制造航空航天装备中的薄壁类零件，且铣削为主要的切削加工方法，研究不同材料类型、不同结构的钛合金零件铣削性能，对提高钛合金零件的切削效率和质量有重要意义。

马尧等[15]通过实验得到了铣削TC25钛合金时主要铣削参数对表面粗糙度的影响规律，并建立了预测模型，得到了铣削这类钛合金材料时降低表面粗糙度的优化切削参数。黄尧等[16]通过仿真研究了铣削钛合金时主要铣削参数对表面残余应力的影响规律，发现切削深度对表面残余应力影响较小，切削速度对表面残余应力影响较大。岳彩旭等[17]通过为降低铣削钛合金薄壁件时的切削颤振，提高已加工件的表面质量和加工精度，对铣削加工的稳定域进行了研究，得到了稳定性叶瓣图，为提高钛合金薄壁件铣削加工的质量和效率提供了一种方法。

3 适合切削钛合金的刀具材料

由于钛合金的材料特性，切削钛合金的刀具材料至少应具有如下性能：硬度高兼备高强度和韧性；具有较好的耐磨性；刀具材料与钛元素亲合性较低，不与钛合金材料发生熔敷、扩散。在铣削钛合金材料时刀具材料还应具有良好的抗热冲击性。目前，适合并广泛应用于加工钛合金的刀具材料主要有硬质合金和聚晶金刚石(PCD)。

3.1 硬质合金刀具

用于钛合金切削的硬质合金刀具材料，从材料成分上可分为含Ti硬质合金(YT类、YW类)和无Ti硬质合金(YG类)，从材料结构上可分为涂层硬质合金和非涂层硬质合金。

YG、YT和YW三类硬质合金刀具在切削钛合金时的磨损机理各不相同，切削速度是影响它们磨损机理的关键因素。在低速下三类刀具的磨损形式都以黏结磨损为主，在高速切削时YG类刀具主要发生黏结磨损，YT类和YW类刀具除黏结磨损外，还会发生扩散磨损和氧化磨损[18]。在干切削条件下，随着切削速度增加，YT类刀具耐用度降低最快，YG类刀具的耐用度次之，YW类刀具的耐用度降低最慢。YW类刀具材料在高速切削钛合金时展现出更好的切削性能。

硬质合金刀具在高速钛合金铣削过程中，在刀具磨损初期前刀面会出现少量的粘结切屑，随后黏结磨损会使前刀面上出现粘结凹坑，切削持续进行致使凹坑不断加大，从而使刀具磨损加剧，严重时还会产生崩刃现象[19]。

涂层硬质合金刀具在高速车削钛合金时，其切削性能并无明显优势，甚至会比无涂层同类材料刀具还差[20]。目前，硬质合金刀具大多使用含Ti隔热涂层，以减少切削热向刀具传导，降低刀尖的温升。由于钛合金材料自身导热性能很差，工件的散热性能大大低于钢材工件，刀具使用含Ti隔热涂层后，工件和刀具2条散热途径都受到阻碍，切削区温度反而更高，使涂层很快被破坏，加剧了刀具磨损。在高速铣削中涂层刀具则比非涂层刀具要表现出更优异的切削性能和刀具耐用度。铣削为间断切削，在高速铣削中，热冲击是导致刀具磨损的重要因素，隔热涂层可有效降低热冲击，从而提高刀具的使用寿命。

3.2 聚晶金刚石(PCD)刀具

聚晶金刚石(PCD)刀具切削钛合金，具有刀具耐磨性好、刀具散热好、切削力较低等优点[21]，比硬质合金刀具更适合钛合金的高速切削，且可得到更好的表面质量和加工精度。

采用PCD刀具切削钛合金时，刀具磨损机理为磨料磨损和粘结磨损，破损机理主要为微裂纹、剥落、微崩刃和局部碎裂[22]。PCD的金刚石微粒越细，刀具寿命越高。冯素玲等[23]对比研究了在200 m/min切削速度下高速铣削钛合金时硬质合金刀具和PCD刀具的性能，PCD刀具寿命比硬质合金刀具增加了4倍左右，且加工后工件表面的粗糙度更小。刘鹏等[24]研究了用PCD铣刀高速铣削TA15钛合金时铣削参数对铣削力的影响规律，发现轴向切深对切削力影响最为显著，而在切削速度50～400 m/min范围内对切削力影响很小。由此可知，为提高加工精度且不降低切削效率，适当降低轴向切深并提高切削速度是个不错的方法。李飞等[25]对比研究了采用PCD与硬质合金刀具车削TC4钛合金的表面粗糙度，由PCD刀具加工的表面粗糙度更低，且粗糙度值更容易保持稳定，可减少切削时换刀次数，提高加工效率。

4 钛合金铣削新进展

4.1 高速铣削技术

高速铣削材料去除效率高，径向力较小，工件温升相对较低，在对航空航天装备制造中大量需求的钛合金薄壁类零件加工中，可明显提高工件的加工效率和质量，正逐渐在钛合金零件的切削加工中得到应用。

由于钛合金薄壁件刚度较低，铣削加工时降低变形敏感方向的切削力，对于保证零件加工精度和表面质量尤为重要。铣削钛合金时切削速度对切削力的影响不显著，而轴向切深、径向切深及每齿进给量对切削力影响比较显著，因此依据不同薄壁件的结构特征，确定轴向切深、径向切深及每齿进给量对变形的影响顺序，在保证切削效率的前提下合理分配上述切削参数是高速铣削钛合金的一个重要研究内容[26-27]。另外，薄壁件铣削容易产生切削颤振，特别是高速铣削深腔结构，较长的铣刀悬伸和较弱的零件刚度更容易使切削颤振发生。因此，确定高速铣削钛合金薄壁件的稳定域，合理选择铣削的主轴转速和轴向切深，使高速铣削过程更加平稳，提高已加工件表面质量和刀具使用寿命是高速铣削钛合金的又一个重要研究内容[28]。

4.2 低温冷却铣削技术

冷却方式是影响钛合金铣削加工效率及成本的重要因素之一。随着刀具材料性能的不断提升和对加工效率要求的不断提高，铣削钛合金的切削速度正在大幅提升，传统的切削液浇注冷却正面临难以解决的问题。一方面，高速铣削钛合金时浇注冷却的切削液难以进入切削区，切削区温度仍然很高，刀具切出后被切削液冷却后会产生强烈的热应力；另一方面，高温会使切削液雾化，产生大量有害气体，对环境造成污染。

为解决上述问题，近年来，以低温冷却技术为核心的绿色铣削技术得到了快速发展，其中以低温微量润滑冷却(CMQL)、低温风冷、低温喷雾射流冷却和液氮冷却切削技术最具代表性。在铣削钛合金时，切削速度是选择何种低温冷却技术的重要依据。苏宇等[29]在高速铣削TC4钛合金时采用低温微量润滑冷却，降低了径向铣削力，减低了刀-屑摩擦，延长了刀具寿命，取得了不错的加工效果。易湘斌等[30]通过实验对比研究了低温风冷和干切削条件下铣削TB6钛合金的切削力，低温风冷对降低铣削力效果较为明显。吕东升等[31]对低温喷雾射流在铣削Ti40阻燃钛合金时的应用进行了研究，其使用可有效降低切削温度，减小后刀面磨损，延长刀具寿命。陈冲等[32]对液氮冷却条件下大进给铣削TC4钛合金进行了研究，发现其比低温风冷有更好地抑制刀具磨损、延长刀具寿命的效果。

4.3 高效深腔加工技术

目前，大量航空航天装备中的钛合金零件为框架类结构件，其中很多具有侧壁为薄壁的深腔结构。这类深腔在铣削加工中需要采用悬伸较长的铣刀，铣刀容易产生切削振动和“让刀”现象。为保证加工的表面质量和精度，降低振动引起的铣刀破损，必须降低进给量和切削深度。同时，钛合金为难加工材料，切削速度选择范围也较低，因此，这类钛合金深腔结构件加工工时很长，大幅增加了这类零件的制造成本。

高进给铣削(见图3)和插铣加工的铣削径向力大幅降低，可用于钛合金深腔结构件的高效加工。图3中，高进给铣刀采用很小的主偏角，一般约为10°，铣削时选用的轴向切深较低。由于切屑的减薄效应，在保持切屑厚度不变的情况下，可实现每齿进给量的大幅提高。

图3 高进给铣削

插铣加工(见图4)利用铣刀轴向进刀运动完成材料的去除切削[33]，其径向切削力很小，非常适合深宽比较大的槽腔、叶轮流道的粗开加工。

图4 插铣加工

尽管高进给铣削和插铣都可用于深腔的加工，但若要取得较高的加工效率和质量，还应综合考虑型腔的结构特征对二者进行取舍。当型腔面积较大且侧壁等高时，高进给铣削加工效率更高。凌平等[34]利用高进给铣削300 mm×100 mm×290 mm的TC21深腔，对比插铣加工切削效率有大幅提高。当型腔为窄槽或侧壁不等高时，插铣加工效率更高。李昂等[35]利用插铣加工带有不等高侧壁的网格状深腔的大型TC4钛合金零件，与传统铣削相比提高了3倍的加工效率。另外，采用插铣进行钛合金零件深腔转角和整体叶轮流道的粗开加工，相对传统铣削方法也具有很高的切削效率[36-37]。

5 展望

当前，在钛合金铣削加工中主要存在如下瓶颈。

1)高速铣削时，铣刀承受热冲击较为严重，随着铣削速度的提高，这种热冲击导致的刀具磨损、破损被快速放大。

2)受制于切削易振动和工件易变形，铣削薄壁件合理选择切削参数、提高切削效率较为困难。

近期钛合金铣削技术的发展呈现如下几个趋势。

1)随着新型钛合金材料的不断涌现，对其切削机理的研究更为迫切。

2)适合更高速、高效铣削钛合金的刀具材料和铣刀技术急需快速发展。

3)更好适应高速铣削钛合金的切削冷却技术不断出现。

4)插铣、高进给铣削等新工艺在钛合金铣削加工中逐渐得到推广。